قوانين نيوتن الثلاث

قوانين نيوتن وتطبيقاتها

من أهم ما تناوله علم الفيزياء الكلاسيكي، حيث إن قوانين نيوتن هم عبارة عن مجموعة من القوانين التي وضعها عالم الفيزياء نيوتن، وهم من أهم قوانين علم الفيزياء، وينصبوا جميعهم على حركة الأجسام، حيث تعمل هذه القوانين على ربط القوى المؤثرة على الجسم بحركته، وقام بنشر قوانينه لأول مرة في كتابه Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica، الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية، والذي نشر عام 1687م، ويعتبر هذا الكتاب أساس الميكانيكا الكلاسيكية إذ استعمل نيواتن هذه القوانين لكي يفسر الكثير من الظواهر الفيزيائية.

قانون نيوتن الأول

ينص القانون على أن “الجسم الساكن يبقى ساكن، والجسم المتحرك يبقى متحرك ما لم تؤثر عليه أي قوى خارجية”، بمعنى أن الحركة لا يمكن أن تتغير أن تنقص دون تأثير قوة غير متوازنة إذ لم يحدث للأشياء أو الأشخاص شيء ما، بمعنى أخر لا يمكن أن يذهب شخص لمكان معين أبداً إذا كان لا يتحرك من مكانه ولا أحد ينقله للمكان، فالساكن يظل ساكن، ووفقاً للقانون الأول لنيوتن فمع عدم وجود قوة خارجية لن يتحرك الجسم أبداً، ومع عدم وجود قوة خارجية أيضاً لا يتوقف هذا الجسم أبداً، بحيث إن كانت القوة المحصلة أو المجموع الاتجاهي للقوة المؤثرة على الجسم يساوي صفر، فإن الجسم يكون في حالة سكون.

تعتبر السرعة هي كمية متجهة حيث يتم التعبير عنها بالمقدار وهي سرعة الجسم، وبالاتجاه هي اتجاه حركة الجسم وعندما نقول أن سرعة الجسم ثابتة فإننا نعني أن كلا من المقدار والاتجاه ثابتين، ومن تطبيقات هذا القانون، عند ملاحظة رواد الفضاء وهم يسبحوا في الفضاء الخارجي فيلاحظ وضعهم للأدوات وتظهر تطفوا دون أن تترك مكانها فهي ثابتة في مكان واحد، والسبب في ذلك أنه لا يوجد أي قوة تدخل لتغير وضع الأدوات، كما ينطبق هذا الأمر عندما يرموا أشياء للكاميرا، فتتحرك الأشياء فقي خط مستقيمـ بمعنى أنهم إذا ألأقوا شيئاً ما أثناء السير في الفضاء فإنه سيستمر في التحرك في نفس الاتجاه وبنفس السرعة ما لم يتدخل أحد ويقف الحركة بنفسه.

مبدأ القصور الذاتي

مبدأ القصور الذاتي أحد المباد المرتبطة ارتباط وثيق بالقانون الأول لنيوتن، كما أنه أحد المبادئ الأساسية في الفيزياء الكلاسيكية التي لا تزال تستخدم إلى الأن لوصف حركة الأشياء وكيفية تأثيرها بالقوى المطبقة عليها، والقصور الذاتي هو عبارة عن مقاومة أي جسم مادي لأي تغيير في سرعته، كما يتضمن ذلك التغييرات في سرعة الكائن أواتجاه حركته، ومن أهم جوانب هذه الخاصية هو ميل الأشياء إلى الاستمرار في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة، عند عدم وجود قوة خارجية تؤثر عليها، كما قام نيوتن بتعريف القصور الذاتي على أنه”القوة الجوهرية للمادة هي قوة المقاومة التي يسعى من خلالها كل جسم بقدر ما يكمن فيه، إلى الحفاظ على حالته الحالية، سواء كان ذلك في حالة سكون أو التحرك بشكل موحد للأمام في خط مستقيم”.

تطبيقات على قانون نيوتن الأول

هناك مزيداً من الأمور التي تتكرر كل يوم في حياتنا اليومية التي وضحها نيوتن في قوانينه، فقوانين نيوتن توضح أسباب حدوث الأشياء، وتتمثل بعض التطبيقات في:

الوسائد الهوائية الخاصة بالسيارات، وهي الوسائد التي تنتفخ عند وقوع أي حادث من أجل منع تخبط وارتطام رأس السائق بالزجاج الأمامي، فيحدث حينها التباطؤ المفاجئ في سرعتها يؤدي إلى تشغيل مفتاح كهربائي، وذلك يعمل على بدء تفاعل كيميائي تنتج منه مادة غازية تعمل على ملئ الوسادة وحماية رأس السائق.
عند وضع كتاب على المنضدة يظل في مكانه ما لم يغير مكانه أحد، وهكذا كل الأشياء الساكنة.
الدم في جسم الإنسان يندفع من الرأس إلى القدم، ولكن يتوقف بسرعة عند ركوب المصعد النازل.
من خلال ضرب الجزء السفلي من المقبض على سطح صلب يمكن شد رأي المطرقة على المقبض الخشبي.
في حالة ركوب لوح تزلج أو دراجة، فإن الشخص يميل ويطير إلى الأمام بعيدًا عن اللوح عندما تصطدم برصيف أو صخرة أو أي شيء آخر يوقف حركة لوح التزلج فجأة.
من تطبيقات قانون نيوتن الأول، تغيير حركة الطائرة الورقية بحسب التغيرات الجوية.
حركة الطائرة عند تغيير الطيار وضع دواسة الوقود.

قانون نيوتن الثاني للحركة وتطبيقاته

ينص قانون نيوتن الثاني للحركة على “إذا أثرت قوة على جسم ما فإنها تكسبه تسارعاً، يتناسب طردياً مع قوته وعكسياً مع كتلته”، حيث يقدم قانون نيوتن الثاني حركة الجسم عند تأثير قوى خارجية علي، فعندما تؤثر قوة ثابتة على جسم ضخم فإنها تتسبب في تسارعه أي تغيير سرعته بمعدل ثابت، حيث كلما زادت القوة زادت العجلة، فوفقاً لقانون نيوتن الثاني تؤدي القوة المؤثرة على الجسم في حالة السكون إلى تسارعه في اتجاه القوة، ومع ذلك إذا كان الكائن متحرك بالفعل فقد يبدوا أن هذا الجسم يسرع أو يبطئ أو يغير اتجاهه اعتمادًا على اتجاه القوة والاتجاهات التي يتخذها الكائن والإطار المرجعي الذي يتحرك فيه بالنسبة لبعضها البعض، ويعبر عن قانون نيوتن رياضياً F = ma، إذ أن f هي القوة المحصلة، وm هي كتلة الجسم، وa هي تسارع الجسم.

يعمل هذا القانون على تطبق مبدأ الحفاظ على كمية التحرك وهو أنه عندما تكون مجموع القوى المحصلة المؤثرة على الجسم تساوي صفر فإن كمية الحركة للجسم تظل ثابتة. وتساوي القوة المحصلة معدل التغير في كمية التحرك، كما أن هذا القانون يعني أيضًا أنه عندما تؤثر قوتين متساويتين على جسمين مختلفين فإن الجسم الذي كتلته أكبر سيكون تسارعه أقل وحركته أبطئ والجسم ذو الكتلة الأقل تسارعه أكبر، فعلى سبيل المثال للتوضيح، إذا كان لدينا محركين متشابهين إحداهما لسيارة كبيرة والآخر لسيارة صغيرة فالصغيرة ستملك تسارعاً أكبر، ويرجع ذلك لأن كتلتها أقل والكبيرة ستملك تسارعاً أقل لأن كتلتها أكبر.

تطبيقات قانون نيوتن الثاني في حياتنا

يمكن ملاحظة قانون نيوتن الثاني من خلال محاولة تحريك جسم ما، مثل محاولة إيقاف كرة متحركة تتدحرج على الأرض أو دفع كرة بقوة لجعلها تتحرك.
ينطبق قانون نيوتن الثاني على تقليل وزن السيارات المخصصة للسباق لزيادة سرعتها، فمثلاً سيارات السباق يحاول المهندسون والمتخصصون إبقاء كتلة السيارة عند أدن مستوى ممكن، إذ أن الكتلة المنخفضة تعني المزيد من التسارع، وكلما زاد التسارع زادت فرص الفوز بالسباق.

مثال على ثانون نيوتن الثاني:

عند دفع عربة التسوق فارغة في المتاجر فتكون سهلة الدفع، عكس ما تكون محملة فإن دفعها يكون صعب للغاية.

قانون نيوتن الثالث وتطبيقاته

القانون الثالث لنيوتن ينص على “لكل فعل رد فعل، مساوي له في المقدار ومضاد له في الاتجاه”، بمعنى أن القوة المؤثرة هي قوى متبادلة على الأجسام المختلفة وهذا يعني أنه عندما تؤثر قوة على جسم فلابد من وجود قوة أخرى مصاحبة لها مساوية لها في المقدار ومضادة لها في الاتجاه، كما أنه في أحيانا يكون مقدار واتجاه القوة يمكن تحديدهم عن طريق جسم واحد فقط من الجسمين، فمثلاً عندما يرثر جسم أ على جسم ب بقوة، فإنه يسمى بالفعل ويؤثر الجسم ب على الجسم أ بقوة لها نفس المقدار ولكنه في اتجاه معاكس ويسمى حينها برد الفعل، فهذا هو قانون الفعل ورد الفعل، وفي حالة أخرى يتم حساب مقدار واتجاه القوة عن طريق الجسمين معاً وفي هذه الحالة لا نستخدم لفظ الفعل وردة الفعل، إذ أن كلا القوتين يمكن تسميتها بالفعل ورد الفعل لأنهما قوتين منفصلتين ولا يمكن وجود واحدة دون الأخرى.

تطبيقات على قانون نيوتن الثالث

يقوم المهندسون بتطبيق قانون نيوتن الثالث عند تصميم الصواريخ وأجهزة القذائف، إذ أن عند اندفاع الغازات الناتجة من الصاروخ لأعلى عند اشتعالة تتسبب في زيادة السرعة الخاصة به.
هل تعلم

أن عند قفز شخص من الأرض بقوة فتوم الأرض بتطبيق ردة فعل مساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه تدفع الشخص لاتجاه أخر.
أثناء السباحة تدفع المياه الشخص للأمام، في حين أن الشخص الماء للخلف، فكل منهم يؤثر على الأخر بنفس القوة ولكن باتجاه معاكس.
تطير الطيور والطائرات من خلال دفع الهوا في الاتجاه المعاكس لطريق طيرانها.